船用柴油內(nèi)燃機(jī)排氣凈化裝置的設(shè)計(jì)與研究

陸倩楠 史良方

摘 要：海上航行的船舶柴油機(jī)有限制排防污染的要求，隨著對海洋生態(tài)環(huán)境要求的日益嚴(yán)格，今后國際上越來越多的地區(qū)會(huì)對船舶柴油機(jī)尾氣排放提出控制。2009年9月，我國公布《防止船舶污染海洋法》，并自2010年3月1日起施行與國際船用柴油機(jī)污染物排放相比，我國的船用柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)較為寬松。如今國際高排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)生效，面對這個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，本文提出了一種船用柴油內(nèi)燃機(jī)排氣凈化的裝置，結(jié)合選擇性催化還原方法、自主開發(fā)應(yīng)用SCR系統(tǒng)等等，以面對海上環(huán)保問題。

關(guān)鍵詞：船用柴油；內(nèi)燃機(jī)；排氣凈化；SCR系統(tǒng)；環(huán)保

1 前言

柴油機(jī)兼具經(jīng)濟(jì)性與良好的動(dòng)力，為船舶最普遍使用的動(dòng)力裝置，在船舶上得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于船用柴油機(jī)尾氣中PM（顆粒物包括碳粒、重碳?xì)浠衔?、硫酸鹽、油氣、水汽及灰分等），CO，NOx，SO2，HC（碳?xì)浠衔铮┑任镔|(zhì)的排放，其中，HC，NOx可在適宜的條件下產(chǎn)生毒性強(qiáng)烈的光化學(xué)煙霧；NOx和SO2易溶于水形成酸雨；CO對人體有毒性作用。可見，船用柴油機(jī)尾氣中的各類物質(zhì)會(huì)對人類生存環(huán)境造成很大的污染與破壞。

隨著人們對環(huán)境質(zhì)量關(guān)注度的日益提升，大力發(fā)展研究柴油機(jī)尾氣凈化技術(shù)，是未來大型船用柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。因此開展船用柴油機(jī)尾氣控制與凈化措施的研究，具有重要的意義。

2 功能簡介

柴油機(jī)尾氣的控制方法主要包括機(jī)內(nèi)控制和尾氣凈化兩類。機(jī)內(nèi)控制主要通過采取相應(yīng)措施抑制柴油機(jī)尾氣中有害物質(zhì)的生成，尾氣凈化指采取相應(yīng)技術(shù)將尾氣中已生成的NOx和顆粒物除去。利用選擇性催化還原方法，其工作原理是在催化劑（V2O5、WO3、TiO2的復(fù)合物）的作用下，在一定溫度下（大于300℃），以氨或尿素為還原劑選擇性地與廢氣中的NOx反應(yīng)，生成無害的氮?dú)夂退?，從而達(dá)到降低柴油機(jī)尾氣中NOx含量的目的。SCR系統(tǒng)包括催化反應(yīng)器、尿素存貯器、噴氨系統(tǒng)、NOx分析單元裝置及控制單元組成等。

3 “凈化裝置”的主要結(jié)構(gòu)

4 “凈化裝置”的基本原理

（1）廢氣再循環(huán)系統(tǒng)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）的工作原理為：將定量廢氣與新鮮空氣共同引入燃燒室參與燃燒反應(yīng)；廢氣的引入增加了反應(yīng)所需的熱容量，同時(shí)由于廢氣造成氧氣濃度起到稀釋降低的作用，從而降低最高燃燒溫度，從而抑制了NOx的產(chǎn)生。柴油機(jī)燃油霧化效果越好，燃燒就越充分，產(chǎn)生的NOx和顆粒物就越少。共軌燃油噴射技術(shù)（CRI）采用電子控制系統(tǒng)，允許燃油噴射壓力隨實(shí)際工況改變，使得燃油燃燒更充分、機(jī)械效率更高、尾氣更清潔。

（2）選擇性催化還原技術(shù)（SCR）Silencer Reagent Feed Injection Module Catalyst Housing Air Feed TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于在TierⅡ基礎(chǔ)上NOx降低75%，采用選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術(shù)是目前最有效，也是實(shí)現(xiàn)TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)的唯一方法。其工作原理是在催化劑（V2O5、WO3、TiO2的復(fù)合物）的作用下，在一定溫度下（大于300℃），以氨或尿素為還原劑選擇性地與廢氣中的NOx反應(yīng)，生成無害的氮?dú)夂退?，從而達(dá)到降低柴油機(jī)尾氣中NOx含量的目的。

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

6NO2+8NH3=7N2+12H20

經(jīng)過這道程序處理后的廢氣中約有70%～80%的NOx 被吸收，從而到達(dá)清潔排放、完全滿足IMO第三階段廢氣排放的要求。

一個(gè)典型的SCR 系統(tǒng)的主要部件有轉(zhuǎn)化爐、尿素供給系統(tǒng)、監(jiān)測單元和控制單元等，如圖所示。

5 “凈化裝置”的制作方法

（1）裝置引入新鮮空氣

將定量廢氣與新鮮空氣共同引入燃燒室參與燃燒反應(yīng)；廢氣的引入增加了反應(yīng)所需的熱容量，同時(shí)由于廢氣造成氧氣濃度起到稀釋降低的作用，從而降低最高燃燒溫度，從而抑制了NOx的產(chǎn)生。

（2）裝置引入選擇性催化還原方法（SCR）

是目前最有效，也是實(shí)現(xiàn)TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)的唯一方法。其工作原理是在催化劑（V2O5、WO3、TiO2的復(fù)合物）的作用下，在一定溫度下（大于300℃），以氨或尿素為還原劑選擇性地與廢氣中的NOx反應(yīng)，生成無害的氮?dú)夂退?，從而達(dá)到降低柴油機(jī)尾氣中NOx含量的目的。

（3）裝置自主開發(fā)應(yīng)用SCR系統(tǒng)

（4）裝置使用柴油機(jī)尾氣處理液

它是一種SCR技術(shù)，用來減少柴油車尾氣中的氮氧化物污染的液體。

（5）裝置安裝電子控制單元

控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放中氮氧化合物NOX應(yīng)用電子控制單元，氮氧化合物NOX傳感器，尿素噴射單元，尿素箱及其相關(guān)管路等技術(shù)，并在排氣管路中封裝好的涂覆了選擇性催化劑的載體。

（6）裝置精確控制尿素噴射量

通過安裝在涂覆了選擇性催化還原劑的載體前的氮氧化合物NOX傳感器測得排氣中的氮氧化合物的濃度，并反饋給電子控制單元，計(jì)算出所需要的尿素噴射量，并通過尿素噴射單元進(jìn)行噴射與現(xiàn)有的技術(shù)相比，通過氮氧化合物NOX傳感器反饋可以真實(shí)的反映在不同的車況下發(fā)動(dòng)機(jī)的排放情況，進(jìn)而精確控制尿素噴射量，而不是僅通過發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定的方式確定尿素噴射量，大大提高了控制精度，使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放中氮氧化合物NOX得到更有效的降低。直時(shí)處理氮氧化物。解決前處理治本，后處理治標(biāo)。

6 “智能窗”的使用說明

（1）安裝好后，設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)；

（2）當(dāng)定期需要進(jìn)行對清潔。

7 相關(guān)拓展

隨著船用柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，各國均在積極開發(fā)可應(yīng)用的SCR系統(tǒng)。德國、芬蘭、美國、日本等，先進(jìn)造船國家在20世紀(jì)80年代末就開始NOX SCR系統(tǒng)的研發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的全自動(dòng)化監(jiān)控和管理。德國西門子公司研制的SCR裝置由氮氧還原系統(tǒng)、檢測與控制系統(tǒng)兩部分組成。

研究數(shù)據(jù)表明，該裝置對柴油機(jī)主機(jī)影響不大，NOx的排放SCR率由13g/kW·h降到2.04g/kW·h，滿足IMO的要求，滿足歐洲Ⅱ號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)（小于7g/kW·h）。美國RJM公司研發(fā)的SCR裝置主要由尿素水溶液貯存柜、供給泵、濾清器、檢測控制器及噴射器等組成，其核心部分是ARIS2000還原反應(yīng)劑噴射系統(tǒng)。2010年，瓦錫蘭集團(tuán)與ABB公司聯(lián)合瑞士HugEngineering公司研發(fā)出了比傳統(tǒng)系統(tǒng)體積小80%的緊湊型SCR系統(tǒng)。2011年3月，MAN公司首次在6S46MC-C8型船用低速柴油機(jī)上安裝了其研發(fā)的緊湊型SCR系統(tǒng)。日本SantaVista輪在2011年首次安裝了SCR裝置，滿足TierⅢNOx的排放要求。2011年7月，韓國現(xiàn)代重工成功研發(fā)出SCR系統(tǒng)，并通過韓國船級(jí)社認(rèn)證。

反觀國內(nèi)情況，目前我國對船用SCR系統(tǒng)的研究尚處于起步階段。隨著人們對環(huán)境質(zhì)量關(guān)注度的日益提升，大力發(fā)展研究柴油機(jī)尾氣凈化技術(shù)，是未來大型船用柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。因此開展船用柴油機(jī)尾氣控制與凈化措施的研究，具有重要的意義。

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（作者單位：浙江省象山中學(xué)）